CN210892803U - 一种基于金属毛细管的紧凑型微通道换热器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于金属毛细管的紧凑型微通道换热器，利用金属毛细管管径极小的特点，通过一组两根相互缠绕的金属毛细管形成一换热绕组，冷热流体在两根毛细管内流动并完成换热，通过布置多个换热绕组可在有限空间内形成大量的换热面积，从而有效增加换热量，通过合理布置金属毛细管，可实现冷热流体相互缠绕流动，实现优良的换热性能，通过金属毛细管布置方案，避免了PCHE光化学蚀刻较为复杂的工艺，通过填充熔融金属，替代扩散焊工艺，本实用新型方案原理简单，可行性很高。

Description

一种基于金属毛细管的紧凑型微通道换热器

技术领域

本实用新型涉及换热器领域，具体地，涉及一种基于金属毛细管的紧凑型微通道换热器。

背景技术

微通道换热器指一种借助特殊微加工技术以固体基质制造的可用于进行热传递的三维结构单元，1981年，微通道换热器概念被提出；1985年，用于两流体热交换的微通道换热器制成，其水力学直径可以达到10-1000μm；1986年，印刷电路微尺寸换热器(PCHE)制成，其体积换热系数高达7MW/(m³·K)；1994年，体积换热系数高达45MW/(m³·K)的微通道换热器被制成。一般微通道加工技术主要有光刻电镀技术、准分子激光微细加工技术和双光子几何加工技术，常规的微通道形式有圆形、半圆形、矩形，V形、梯形等，经过几十年的发展，微通道形式由常规的二维形状发展出了树状分形结构、双层树状网络、T形树状分形流体网络、仿蜂巢结构以及仿哺乳动物呼吸系统树状分形微管道结构等三维形式，但从目前看来二维微通道形式存在着内部流量分配不均、分布均匀性差、局部散热不佳等难题，而三维微通道在成形技术上仍未得到很好解决。

实用新型内容

现有形式的微通道换热器存在诸多亟待解决的难题，背景技术介绍中提到的二维或三维微通道问题可归结为成形技术问题以及微通道热工设计问题，成形技术的解决需开发出新型的、更为有效的微加工、维成形技术；由于微通道换热器特征尺度在微米到亚微米尺度范围内，其涉及极为复杂的尺度效应和入口段效应，当微通道直径为381μm时，对于液体单相流动，其微通道摩擦阻力及努赛尔数已经不能用传统宏观公式来进行计算了，而入口段效应对于小当量直径流道内的工质流动具有十分显著的影响。

基于上述原因，本实用新型从另一方面入手进行新型微通道换热器的开发，一般而言，现有微通道换热器其实现方式为在金属基质上通过蚀刻或其他手段消除一部分材料，从而形成所需的微通道结构，之后又通过扩散焊等技术对金属基质进行焊接实现微通道的成形，本实用新型尝试利用管径极小的金属毛细管来构成微通道，通过毛细管的弯曲缠绕，以实现常规微通道换热器换热面积大的特点，此外，利用金属毛细管还可以实现常规微通道换热器难以实现的一些特征。

为实现上述实用新型目的，本申请提供了一种基于金属毛细管的紧凑型微通道换热器，所述换热器包括：

若干换热单元，若干换热单元在竖直方向由上至下依次贴合堆叠组成所述换热器，所述换热单元包括：包壳、金属填充物、若干组流体毛细管绕组，其中，包壳内填充所述金属填充物，包壳一侧设有冷流体入口和热流体入口，包壳另一侧设有冷流体出口和热流体出口，若干组流体毛细管绕组预埋在金属填充物内，流体毛细管绕组中的冷流体毛细管一端与冷流体入口连接，冷流体毛细管另一端与冷流体出口连接，流体毛细管绕组中的热流体毛细管一端与热流体入口连接，热流体毛细管另一端与热流体出口连接，每组流体毛细管绕组中包括至少一根冷流体毛细管和至少一根热流体毛细管，每组流体毛细管绕组中的冷流体毛细管和热流体毛细管呈相互缠绕的状态。

本实用新型公开中的换热器利用金属毛细管管径极小的特点，通过一组两根相互缠绕的金属毛细管形成一换热绕组，冷热流体在两根毛细管内流动并完成换热，通过布置多个换热绕组可在有限空间内形成大量的换热面积，从而有效增加换热量，本实用新型原理简单，易于实现。

热金属毛细管指外径为Φ0.5-8mm，壁厚为0.1-2.5mm的金属管，应用最多的是不锈钢毛细管和毛细铜管，不锈钢毛细管具有良好的柔韧性、耐腐蚀、耐磨损、耐高温(304型可耐800℃高温)、抗拉性及防水性能优良，且具有很好的电磁屏蔽性能，因而被广泛应用于自动化仪表电线保护管、仪表信号管、工业传感器、精密光学尺线路、电子设备线路保护管等领域；毛细铜管具有优良的导热性能，在各型制冷装置、高精密仪表等方面应用广泛。

优选的，所述换热单元为长方体状，对于相邻的2个换热单元，位于上方的换热单元的下表面与位于下方的换热单元的上表面贴合。

优选的，冷流体入口和热流体入口位于换热单元的左侧端角的两个侧面上，冷流体出口和热流体出口位于右侧端角的两个侧面上。

优选的，所述换热单元之间通过焊接或螺栓进行连接。

优选的，所述金属填充物为青铜或铝。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本实用新型通过合理布置金属毛细管，可实现冷热流体相互缠绕流动，实现优良的换热性能，通过金属毛细管布置方案，避免了PCHE光化学蚀刻较为复杂的工艺，通过填充熔融金属，替代扩散焊工艺，本实用新型方案原理简单，可行性较高。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定；

图1为本实用新型实施例公开的换热器总体结构图；

图2为本实用新型实施例公开的换热器单元组件；

图3为本实用新型实施例公开的换热器单元组件内部详图；

其中，1-换热单元，2-包壳，3-金属填充物，4-冷流体出口，5-热流体出口，6-冷流体毛细管，7-热流体毛细管，8-热流体入口，9-冷流体入口。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本实用新型的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是，本实用新型还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本实用新型的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

请参考图1，本申请提供了一种基于金属毛细管的紧凑型微通道换热器，所述换热器包括：

若干换热单元1，若干换热单元在竖直方向由上至下依次贴合堆叠组成所述换热器，所述换热单元包括：包壳2、金属填充物3、若干组流体毛细管绕组，其中，包壳内填充所述金属填充物，包壳一侧设有冷流体入口9和热流体入口8，包壳另一侧设有冷流体出口4和热流体出口5，若干组流体毛细管绕组预埋在金属填充物内，流体毛细管绕组中的冷流体毛细管一端与冷流体入口连接，冷流体毛细管另一端与冷流体出口连接，流体毛细管绕组中的热流体毛细管一端与热流体入口连接，热流体毛细管另一端与热流体出口连接，每组流体毛细管绕组中包括至少一根冷流体毛细管6和至少一根热流体毛细管7，每组流体毛细管绕组中的冷流体毛细管和热流体毛细管呈相互缠绕的状态。

本实用新型总体结构如图1所示，换热器本体由多个单元组件(如图2所示)构成，各个换热单元间可通过焊接或螺栓连接等方式紧密贴合，图2所示换热单元组件由包壳、金属填充物、冷流体毛细管和热流体毛细管构成，图3所示为换热单元组件内部详图，由图3可见，冷热流体流经的金属毛细管呈相互缠绕状态，如此设计能够有效增加冷热流体换热面积，且冷热流体在金属毛细管内呈双螺旋流动，流体与管壁间的对流换热系数也将有效增加，而常规的微通道换热器，如PCHE，其冷热流体在不同板层各自流动，很难实现本实用新型所示的冷热流体相互缠绕流动的状态，此外由图3还可看出，通过合理布置冷热流体进出口，使得冷热流体呈逆流状态，有助于增大冷热流体换热温差。

冷热流体金属毛细管绕组在包壳内经过合理布置，使有限空间内尽可能布置更多的金属毛细管，本实用新型绕组数量仅为定性展示，由于金属毛细管管径极小，实际中可布置数量将远超本实用新型所示数量，通过布置大量毛细管，从而实现微通道换热器换热面积大的特点，布置好的毛细管被固定于包壳内，通过熔融金属填充，实现冷热流体毛细管更为紧密的贴合，同时也可有效防止金属毛细管在运行中产生的振动、碰撞问题。以304不锈钢毛细管为例，其熔点高达1400℃，在运行中也可耐受800℃高温，填充金属可采用青铜(含锡25％时熔点约800℃)或铝(熔点约660℃)，如此制成的微通道换热器将可用于超临界二氧化碳布雷顿循环中(高温回热器进口气温约450℃)，且金属填充物为青铜或铝其导热系数(铸锡青铜62.8W/(m·K)，铸铝138-147W/(m·K)，均为室温下)将远大于304不锈钢导热系数(10-20W/(m·K)室温下)。

通过金属毛细管构成微通道，通过熔融金属填充可实现PCHE光化学蚀刻结合扩散焊所能实现的功能，且金属毛细管排布方式可以较为简单地进行调整，还能实现冷热流道相互螺旋缠绕，而填充熔融金属则更为简便，需要指明的是应根据金属毛细管材料性能和换热器运行中所达最高温度合理选取填充金属，由于金属种类极其繁多，可选方案也将很多。

其中，在本申请实施例中，本申请中的换热器利用金属毛细管构成微通道，填充熔融金属进行固化，一种新型的紧凑型微通道换热器实施方案。图3中绕组为双绕组方案，三绕组或多绕组方案亦可，以实现多股冷热流体高效换热。换热单元组件内金属毛细管层数可为多层(本实用新型仅示一层)，以减少单元组件间的缝隙数量。

尽管已描述了本实用新型的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本实用新型范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种基于金属毛细管的紧凑型微通道换热器，其特征在于，所述换热器包括：

若干换热单元，若干换热单元在竖直方向由上至下依次贴合堆叠组成所述换热器，所述换热单元包括：包壳、金属填充物、若干组流体毛细管绕组，其中，包壳内填充所述金属填充物，包壳一侧设有冷流体入口和热流体入口，包壳另一侧设有冷流体出口和热流体出口，若干组流体毛细管绕组预埋在金属填充物内，流体毛细管绕组中的冷流体毛细管一端与冷流体入口连接，冷流体毛细管另一端与冷流体出口连接，流体毛细管绕组中的热流体毛细管一端与热流体入口连接，热流体毛细管另一端与热流体出口连接，每组流体毛细管绕组中包括至少一根冷流体毛细管和至少一根热流体毛细管，每组流体毛细管绕组中的冷流体毛细管和热流体毛细管呈相互缠绕的状态。

2.根据权利要求1所述的基于金属毛细管的紧凑型微通道换热器，其特征在于，所述换热单元为长方体状，对于相邻的2个换热单元，位于上方的换热单元的下表面与位于下方的换热单元的上表面贴合。

3.根据权利要求1所述的基于金属毛细管的紧凑型微通道换热器，其特征在于，冷流体入口和热流体入口位于换热单元的左侧端角的两个侧面上，冷流体出口和热流体出口位于右侧端角的两个侧面上。

4.根据权利要求1所述的基于金属毛细管的紧凑型微通道换热器，其特征在于，所述换热单元之间通过焊接或螺栓进行连接。

5.根据权利要求1所述的基于金属毛细管的紧凑型微通道换热器，其特征在于，所述金属填充物为青铜或铝。

6.根据权利要求1所述的基于金属毛细管的紧凑型微通道换热器，其特征在于，冷流体毛细管和热流体毛细管为外径为Φ0.5-8mm，壁厚为0.1-2.5mm的金属管。

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